低成本可消耗飛行器及其動力發展分析

■ 李龍 鄭天慧 / 中國航發渦輪院

（李龍，中國航發渦輪院，工程師，從事航空發動機設計和試驗情報研究）

低成本可消耗飛行器是指性能上滿足體系作戰需求，且滿足有限壽命/架次要求的飛行器，是軍事理論與作戰模式演變的產物，是構建質量與數量并優的空中優勢能力的重要基礎。

為適應“大國競爭”的需要，美國國防預先研究計劃局（DARPA）于2017年提出了“馬賽克戰”（Mosaic Warfare）概念，強調將作戰功能分散至各作戰領域的多種小型、低成本有人或無人平臺上，具備單一或多功能的模塊化作戰單元，形成分層作戰樣式。美國空軍研究實驗室（AFRL）于2020 年 6 月發布的“天空博格人”（Skyborg）概念，如圖1所示，展示了有人機后方控制指揮、可重復使用的“忠誠僚機”居中、可消耗的無人機集群突前，以執行最危險任務的作戰體系。在軍費緊張、大型高價值作戰武器嚴重不足的前提下，這些低成本可消耗裝備研究成果為提升作戰效能、早日實現多域分布式自主作戰提供了保障。為此，在AFRL和DARPA的組織下，美國開展了多項低成本可消耗飛行器、動力技術研究。與此同時，歐洲、澳大利亞、俄羅斯和日本等國家和地區也開展了多項忠誠僚機研究，取得了一定的研究成果。

可消耗低成本飛行器發展現狀

在分布式作戰理念下，平臺、編隊和任務類型的組合催生了無人機集群作戰、彈藥集群、有人-無人協同等作戰形式，針對這些作戰形式而提出的平臺方案均以低成本可消耗作為最重要的特征。

圖1 Skyborg概念設計

無人機集群

在美國國防部（DoD）的統一領導下， DARPA、戰略能力辦公室（SCO）和空軍、海軍等都開展了大量的研究和論證工作，啟動了“灰山鶉”項目、“小精靈”項目、低成本無人機集群技術（LOCUST）項目和近戰隱蔽一次性自主無人機（CICADA）項目等多個集群無人機項目（見表1）。

彈藥集群

除了無人機平臺可作為集群飽和集中式出動以外，空射型誘餌彈等彈藥也可以集群出動，通過模擬己方戰機的雷達回波信號和飛行特性，欺騙敵防空系統發射高成本防空導彈攻擊的方式吸引敵方注意力，提高己方飛機的戰場生存能力。DARPA和AFRL 曾分別提出了小型空射誘餌彈（MALD）項目和“灰狼”（Gray Wolf）巡航導彈項目。

2017年12月，AFRL向洛克希德-馬丁（洛馬）公司和諾斯羅普-格魯門（諾格）公司授予合同，要求研制可“飽和攻擊”敵防空系統的廉價集群式自主巡航導彈，代號“灰狼”。為降低成本，導彈采用模塊化設計和開放式架構，具備可變有效載荷和防區外發射能力，設計巡航距離超過250n mile，并可進行多種任務配置。按照計劃，“灰狼”將以網絡化行為協作的模式達到集群打擊的目的。2019年年中，AFRL宣布取消“灰狼”低成本集群巡航導彈項目，同時啟動了讓彈藥具備協同打擊能力的“金帳汗國”（Golden Horde）項目。

表1 美國集群無人機項目概況

“忠誠僚機”

作為分布式作戰——“無人機+有人機”協同作戰的重要平臺之一，目前，美國、英國、澳大利亞、俄羅斯和日本等均在發展“忠誠僚機”相關項目或技術。

美國克雷托斯（Kratos）公司在美空軍低成本可消耗無人機技術（LCASD）項目下研發的X-58A目前已完成了6次試飛（如圖2所示），該機具備大航程、高隱身、低成本、可消耗、作戰模式靈活、保障要求低等優點，可與F-22、F-35戰斗機等構成隱身空中編隊協同作戰。

波音公司同澳大利亞、英國等開展合作，在“澳大利亞工業能力計劃”下開發空中力量編隊系統（ATS）發展“忠誠僚機”，可與F-35、EA-18G電子戰飛機、E-7預警機等協同作戰，遂行情報監視偵察和電子戰等任務，該機由人工智能賦能，外形隱身，生產成本約200萬美元，與XQ-58A批生產成本相當。2021年3月1日，波音公司“忠誠僚機”首飛成功，后續將進行更復雜的飛行試驗。

2019年7月底，英國國防部通過皇家空軍“快速能力辦公室”在名為“蚊子”的輕量級經濟可承受新型戰斗機項目下開發新型無人機，將在2022年首飛后會開展一系列驗證試驗。

圖2 X-58A無人機

俄羅斯米格飛機公司正為米格-35戰斗機設計一種高速無人僚機，該機可由米格-35控制，也能使用人工智能技術與有人機配合作戰。

日本在2016年發布的技術路線圖中指出，要發展一種高性能自主飛機概念，作為有人駕駛戰斗機的助手，計劃于2030年實現部署。

印度斯坦航空公司在2019年度印度航展上推出了隱身無人僚機。該機機長6m，續航時間80min，航程800km，擁有多種作戰功能。

可消耗高超聲速多任務飛行器

除了集群無人機、“忠誠僚機”、誘餌彈等以亞聲速飛行的低成本可消耗平臺，美國還積極開發高超聲速可消耗飛行平臺。2020年8月， AFRL在網上了發布“可消耗高超聲速多任務吸氣式驗證機計劃”（Mayhem）信息征詢書，提出將開展設計、制造和與大型巡航導彈集成的競賽，涉及兩個重點領域：推力開發和地面測試；超燃沖壓發動機的設計和集成。

AFRL稱，Mayhem系統驗證機將比現有的高超聲速飛行器搭載更多的載荷并飛行更遠的距離；采用模塊化的載荷艙，可搭載或者發射至少3種以上不同的載荷，執行多種任務。AFRL希望飛行器有一個標準的載荷界面，便于集成多種載荷。

2020年11月30日，美國國防部公布與澳大利亞合作進行 “南十字星綜合飛行研究試驗”（SCIFiRE），將新技術引入DARPA“吸氣式高超聲速武器概念”（HAWC）。HAWC項目目標是完善包括能夠有效進行高超聲速飛行的先進飛行器配置，實現持續高超聲速巡航的碳氫超燃沖壓發動機推進，專為高溫巡航設計的熱管理方法，價格低廉的系統設計及制造方法在內的一系列技術。

可消耗無人飛行器動力

可消耗無人飛行器大概可分為集群無人機、“忠誠僚機”、可消耗高超聲速導彈和無人機等，不同飛行器對應的動力需求不同。對于“郊狼”“灰山鶉”這類代替空射誘餌，執行誘導欺騙、前出偵察等任務的微小型集群無人機而言，其本身質量只有幾千克，一般采用純電驅動。對于“小精靈”無人機這種執行高端、反介入/區域拒止（A2 / AD）環境高強度戰略任務的集群無人機而言，其作戰半徑達900km、可重復多次使用等特點都導致必須采用高性能、低成本渦噴/渦扇發動機。“忠誠僚機”相對集群無人機而言，體積更大，需要伴隨在有人機左右，性能要求相對集群無人機更高，也需要采用渦噴/渦扇發動機。可消耗亞聲速導彈一般要求發動機結構簡單，耐儲存、成本低、迎風面積小，結構簡單的渦噴發動機作為其動力。可消耗高超聲速導彈或無人機一般采用超燃沖壓發動機或渦輪基組合循環發動機（TBCC）。目前，世界上的可消耗無人作戰平臺有一部分選用的是現貨動力，這些動力中并不是所有的都能嚴格滿足低成本要求，要針對具體需求研究新型發動機。

現有動力型號

X-61A是一種小型、網絡化、集群作戰型無人機，屬于半一次性偵察與電子戰無人機。其最優性能目標為設計載重54.5kg、最大速度不小于Ma0.8、設計壽命為使用20次、出廠單價（不包括載荷）低于70萬美元。X-61A目前采用F107渦扇發動機作為動力，額定推力為2.67～6.22kN，質量為59～65kg，儲存壽命為10年，工作壽命為50h左右，具有質量輕、結構緊湊、耗油率低的特點。該發動機2014年的價格為19萬美元，占主機成本目標的27%。

MALD各型號分別采用TJ50、TJ120和TJ150發動機作為動力。TJ50是美國漢勝公司（現隸屬于雷神技術公司）1996年開始研制的單轉子渦噴發動機，主要用于微小型軍用固定翼無人機。美國漢勝公司在TJ50的基礎上，后續發展了TJ120和TJ150發 動 機。TJ50是 為 應 對DARPA小型發動機預研計劃研發的微型渦噴發動機，目的是進一步發展尺寸小、價格便宜的燃氣渦輪發動機，基本能滿足MALD這類可消耗彈藥的要求。

作為伴隨在有人機附近的“忠誠僚機”，大型可消耗無人機XQ-58A目前選裝1臺現貨渦扇發動機FJ33-5，但其價格占總成本目標的40%，且FJ33-5渦扇發動機大修時間間隔達到3500h，遠遠超出了XQ-58A飛機200～300h的飛行要求，無法達到其壽命和成本目標。

研制新進展

為適應作戰模式不斷演變下的飛行器動力需求，2018—2026財年，AFRL計劃通過經濟可承受任務（ATTAM）項目的先進渦輪技術，在渦噴發動機研究領域投資7.25億美元，研發一系列用于下一代高、中、低功率渦軸發動機和戰斗機發動機的技術。為了滿足未來發動機支撐更多電力系統、定向能武器、功率更大的傳感器等需求，同時提高推進效率和飛行器自身的能量水平，納入了綜合能量與熱管理技術要求。包括波音、克雷托斯、GE航空、霍尼韋爾、洛馬、諾格、普惠、羅羅和威廉姆斯國際等在內的9家公司收到了關于小型渦輪發動機研發的ATTAM第一階段合同。

克雷托斯公司在2019年2月收購了佛羅里達渦輪技術（FTT）公司、成立新的克雷托斯渦輪技術（KTT）分部后，加速推進小型發動機項目研發，發展用于下一代戰術武器和戰術無人機的小型發動機，適裝于比“捕食者”無人機還小的飛行器。KTT分部正在考慮將新發動機的最大推力定為4.5kN，用3D打印技術制造獨特的軸承，可減少渦輪增壓器對燃油量的需求，同時有助于簡化發動機結構，使之更易維護且降低故障發生率。此外，KTT分部也在3D打印更輕的換熱器，可在排氣過程中回收熱量，并將其再利用于提升進氣溫度，使燃料更易燃燒。目前，克雷托斯公司的新型發動機尚未研發完畢。

2019年11月8日，AFRL宣布其在13個月內完成了一臺小型渦噴發動機的設計、制造和測試，并于11月6日在其總部萊特-帕特森空軍基地進行了首次測試。這臺小型渦噴發動機又被稱為“快速反應開源發動機”，既要做到快速開發，同時通過“開源”的方式，將其制造交給美國的制造商。雖然美國空軍擁有這種小型發動機的設計和知識產權，但一旦完成發動機測試和鑒定，空軍就放棄后續緩慢的研制和完善過程，將其交給低成本制造商，由制造商以更加經濟的方式為美國空軍平臺進行小批量生產。這種開發成本與采購成本分開的新發動機研制方法可降低3/4成本。該發動機尺寸很適合小型無人機或巡航導彈，但AFRL尚未披露該型噴氣發動機的推力額定值。AFRL表示，正在分析第一次發動機測試的數據，并計劃建造第二個更小、更輕的發動機版本。

2020年3月，AFRL宣布已與諾格公司、TDI公司合作測試了推力為890N的低成本渦噴發動機TDI-J85。作為美國低成本巡航導彈項目“灰狼”的產物，為提高產量，TDI-J85的設計著重于經濟可承受性和可制造性。飛行測試中，TDI-J85發動機在高空進行了多次空中起動，達到了推力性能要求，燃油效率超過預期。AFRL接下來將利用最新的飛行測試數據將TDI-J85發動機集成到“灰狼”測試飛行器中。

2019年10月，普惠公司披露其短吻鱷工廠正在設計一型推力為3.1kN、可用于下一代巡航導彈或戰術無人機的發動機，其成本必須達到空軍設定的10萬美元以下的目標，服役壽命約為20次任務。短吻鱷工廠只有15名工程師，在借鑒TJ150發動機的部分核心機技術基礎上，采用數字工程和增材制造來迭代該發動機設計。在不到一年的時間里，新的核心機完成了設計、制造和試驗。新的核心機還可用于包括亞聲速和超聲速飛行器在內的多種用途，燃油效率至少提高了10%，成本比當前至少低30%。

2020年8月，羅羅公司的自由工廠也宣布在不到一年的時間內，完成了從小型低成本燃氣渦輪發動機原型機設計到核心機臺架試驗的過程，該核心機可縮放設計，制造和材料技術能滿足美國國防部對有限壽命或可消耗發動機的大量要求。羅羅公司表示，對于該驗證機而言，可縮放和負擔得起是兩大關鍵因素，在設計制造過程中，主要通過創新方法設計每一個部件，用增材制造技術減少零部件的數量，令成本最小化。將小型發動機演示驗證作為基準分析工具和模型，可縮短未來小型發動機解決方案設計時間。

另外，在超燃沖壓發動機和渦輪基組合循環發動機方面，包括航空噴氣-洛克達因、洛馬和諾格在內的30余家企業都對Mayhem計劃作出了回應。其中，諾格公司和航空噴氣-洛克達因公司在AFRL的中等尺寸關鍵部件（MSCC）計劃下研發的大推力超燃沖壓發動機分別于2019年8月和2020年12月完成了為期9個月和12個月的地面試驗，都獲得了超過57.8kN的推力。而美國國家航空航天局（NASA）和DARPA都在進行渦輪基組合循環發動機的研究，DARPA表示在與洛馬及航空噴氣-洛克達因等公司合作下，已經對進氣口、渦輪和噴管等部件進行了測試，將在不久的將來測試雙模沖壓噴氣發動機。目前，美國空軍尚未明確Mayhem的動力方案。

結束語

在軍費有限的大前提下，為了應對大國競爭，美國及其他國家的軍隊作戰模式向分布式作戰、多域聯合作戰轉變，需要大量可消耗、低成本飛行平臺及自主協同作戰軟件，以美歐為代表的國家和地區已開展了多項針對性研究，取得了一定的進展。在此基礎上，其低成本動力的需求也不容小覷，簡化設計，并采用快速研發模式（低成本設計、增材制造和數字工程），都是實現低成本動力的捷徑，可供參考。